天坪嶺隧道爆破振動對既有隧道襯砌受力影響監測分析

代 勇，周建春

(華南理工大學土木與交通學院，廣州 510640)

1 引言

隧道爆破施工時，炸藥釋放的能量以地震波的形式從震源向四周傳播，經過介質達到地表，引起地表松動和周邊建筑物損傷，振動強度隨著爆距(爆破面到監測點距離)的增加不斷減弱。在爆區的一定范圍內，當振動達到一定的強度時，會引起相鄰建筑物不同程度的破壞。一些隧道施工過程中爆破會對周圍環境的安全產生影響，會引起相鄰隧道襯砌受力發生改變，甚至產生安全問題。目前，國內有關爆破振動的研究主要集中在爆破速度對既有隧道的影響，而對爆破頻率與結構物的響應引起襯砌受力的危害研究較少。通過工程實例探討爆破振動對臨近隧道襯砌受力的影響。

2 工程概況

2.1 工程概況

天坪嶺隧道是廣清(廣州至清遠)高速公路位于清遠龍塘鎮附近的1座改擴建隧道工程。老天坪嶺隧道左、右洞均位于直線段，左線隧道長1 525.75 m，左線隧道里程為LK45+638.330～LK47+164.080;右線隧道長1 548.75 m，右線隧道里程為RK45+618.396－RK47+167.146，為雙洞4車道隧道，采用分離式布設。新建天坪嶺左線隧道長l557 m，隧道里程為LK45+643～LK47+200，新建天坪嶺右線隧道長1537 m，隧道里程為RK45+653～RK47+190，改擴建方式為在原老隧道兩側各新建l座隧道，新建天坪嶺左線隧道距相鄰老天坪嶺左線隧道中心線間距約41.8～50.7 m，新建天坪嶺右線隧道距相鄰老天坪嶺右線隧道中心線間距約64.5～108.8 m。新隧道與既有隧道位置關系見圖1。

圖1 新隧道與既有隧道位置關系示意(單位:m)

2.2 地質概況

隧道穿越丘陵地段山體完整，丘陵脊線明顯，地層巖性主要為燕山期花崗巖及風化層，覆蓋層主要為第四系坡殘積土，厚度較薄。隧址區地下水主要為基巖裂隙水，含水層為中～微風化層，腐蝕性較小。圍巖大致分級如表1所示。

表1 天坪嶺隧道圍巖分級

3 爆破振動監測方案

3.1 監測內容

根據我國《爆破安全規程》(GB6722—2003)的規定，我國交通隧道振動限值為10～20 cm/s，為了保證舊隧道二襯結構的安全性，爆破振動施工時，須對舊天坪嶺隧道襯砌爆破振動速度、二襯表面應變、隧道變形進行測試分析并確認爆破施工的安全性。

測試項目有:舊隧道襯砌表面應變、舊隧道二襯表面振動速度監測，各兩個測試斷面。爆破施工炸藥選用φ32 mm巖石膨化硝銨乳化炸藥，起爆采用延時毫秒電雷管，引爆電源采用FB－300型起爆器，施工方法為全斷面爆破。爆破施工參數如表2所示。

表2 爆破施工參數

3.2 舊隧道襯砌應變監測

在舊天坪嶺隧道左線清遠端，與爆破區域對應的縱向1倍和2倍洞徑長度范圍內，爆破四周環境布置如圖2所示。在舊隧道襯砌離洞門較近處布置2個監測斷面，每個斷面共6個測點，監測儀器采用金壇海巖儀器廠生產的振弦式混凝土表面應變計，橫斷面布置如圖3所示。

圖2 新天坪嶺隧道爆破區四周環境布置(單位:m)

圖3 舊隧道二襯表面應力測點布置

3.3 舊隧道襯砌振動速度監測

目的是了解施工過程中新建隧道爆破施工對于舊隧道二襯的影響，制定或驗證合理的施工順序和爆破裝藥量。在新建隧道左線清遠端松動爆破施工時，在舊天坪隧道洞內設置2個爆破振動測試斷面，根據監測結果指導施工。

監測斷面縱向布置:在距離舊天坪嶺隧道左線清遠出口端1倍和2倍洞徑處(與二襯混凝土表面應變監測斷面相同樁號)，分別設置2個爆破振動監測斷面。每個監測斷面處，左右側各設置1個三分量高精度磁電式速度傳感器，共計1個垂直方向、1個水平橫向(按照隧道縱向對稱軸線建立坐標系)，總計4個測點(圖4)，采用東華測試DH5922動態信號采集儀和筆記本電腦連接，與爆破同步采集爆破速度時程數據。

3.4 舊隧道襯砌變形監測

舊隧道襯砌變形監測內容為單位時間拱頂下沉和周邊收斂量判斷支護效果。爆破監測區域舊隧道二襯斷面變形(拱頂下沉和周邊位移)斷面測線布置如圖5所示，共布設2個監測斷面，每個監測斷面布設拱頂下沉、周邊位移觀測點。

圖4 舊隧道二襯表面爆破振動速度傳感器布置

圖5 拱頂下沉和周邊位移測線布置

4 現場測試結果及分析

4.1 爆破施工時既有天坪嶺隧道二襯表面應變測試分析

共進行3次爆破振動測試，應變測試包括2個斷面，分別為洞口段1倍、2倍洞徑處(見圖2)，每個斷面布置6個振弦式傳感器(圖3)，2倍洞徑斷面布置同1倍洞徑。爆破前后應變測試結果見表3～表5。

表3 第1次爆破施工時天坪嶺隧道二襯表面應變測試結果

由以上新天坪嶺隧道地表松動爆破施工時既有隧道二襯表面應變監測結果可知。

(1)爆破施工時既有隧道二襯表面應變監測結果表明，所有監測斷面各監測點混凝土表面壓應變最大值為20.69 με，位于第2次爆破振動監測左側墻腳處，遠小于C20混凝土設計開裂限值1 400 με。

(2)由以上監測結果可見，爆破施工時既有隧道二襯左、右側混凝土表面應變呈不對稱分布狀態;第1次爆破施工過后二襯較長時間仍有微小殘余應變沒有恢復，原因是第1次爆破裝藥量略大。第2次、第3次爆破施工時裝藥量略有減小，相應的二襯表面混凝土應變很小，可認為無殘余應變發生。

表4 第2次爆破施工時天坪嶺隧道二襯表面應變測試結果

表5 第3次爆破施工時天坪嶺隧道二襯表面應變測試結果

4.2 爆破施工時既有天坪嶺隧道二襯表面振動速度測試分析

新天坪嶺隧道地表松動爆破施工對舊隧道振動速度監測結果如圖6～圖8所示，共進行3次爆破數據采集分析，限于篇幅，只列出第一次爆破振動速度測試圖，后續2次結果相似，3次測試振動速度最大值為0.84 cm/s，振動衰減很快，說明舊隧道剛度較大。

由以上爆破振動監測結果可知，所有監測斷面各向爆破振動速度遠小于設計要求限值10 cm/s，振動衰減較快，說明結構剛度足夠，對舊隧道襯砌影響不大，因此以此藥量爆破結構偏于安全。

圖6 舊天坪嶺隧道第1次爆破襯砌左側水平方向振動速度(單位:m/s)

圖7 舊天坪嶺隧道第1次爆破襯砌左側豎向振動速度(單位:m/s)

圖8 舊天坪嶺隧道第1次爆破襯砌左側橫向振動速度(單位:m/s)

4.3 爆破施工前后既有天坪嶺隧道二襯變形監測分析

在每次爆破施工前后，采用激光斷面儀監測了上述1倍洞徑處(斷面1)、2倍洞徑處(斷面2)的斷面拱頂下沉和周邊位移。實際監測結果表明，爆破施工前后2個監測斷面未發生顯著變形，如圖9～圖12所示，變形呈起伏狀態，說明爆破前后結構會有輕微影響，但很快恢復原狀。

圖9 斷面1拱頂下沉時程曲線

圖10 斷面1水平位移時程曲線

圖11 斷面2拱頂下沉時程曲線

圖12 斷面2水平位移時程曲線

5 結論

綜上所述，新天坪嶺隧道爆破施工時既有隧道二襯表面應變、爆破振動速度和斷面變形監測分析結果如下:

(1)爆破施工時既有隧道二襯表面應變監測結果表明，所有監測斷面各監測點混凝土表面壓應變最大值為20.69 με，位于第2次爆破振動監測左側墻腳處，遠小于C20混凝土設計規范開裂限值1 400 με。

(2)由爆破振動速度監測結果可知，所有監測斷面各向爆破振動速度遠小于設計要求限值10 cm/s，以此標準來控制爆破施工對今后類似工程提供有益幫助。

(3)實際監測結果表明，在每次爆破施工前后，1倍洞徑處、2倍洞徑處的斷面拱頂下沉和周邊位移很小，爆破施工前后2個監測斷面未發生顯著變形，說明爆破施工滿足設計要求，可供類似工程參考。

總之，測試通過以上3種方法聯合使用，能達到更好的指導工程施工，確保爆破安全，為今后類似爆破提供監測參考。

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